Студенты ДВФУ создали протез ноги, обученный нейросетью ходить

Студенты и ученые Центра проектной деятельности Дальневосточного федерального университета (ЦПД ДВФУ) разработали технологию использования нейросетей в протезе нижних конечностей, которая позволяет ему «учиться», подстраиваясь под пациента, и самому совершать нужные движения.

Идея проекта протеза нижней конечности появился на студенческой программе «Битва инженеров», где участники интегрировали технологические решения в область здравоохранения. Затем проект вырос в «Нейростарт», там студенты занимались только технологическими медицинскими разработками. Участники в итоге стали развивать их в ЦПД ДВФУ.

«Нейротехнологии в медицине ставят целью изучать деятельность мозга, в том числе визуализацию его структур, его активности и способов возможного влияния на эту активность извне. Нейротехнологии в нынешних обстоятельствах в Центре проектной деятельности нацелены на использование того факта, что любые сигналы человека — сердцебиение, дыхание, мышечные сокращения — можно переводить, как и мозговые сигналы, в диагностические, управляющие. Нейротехнологии в более широком плане и в перспективе — это использование всех возможных биосигналов человека как управляющих», — рассказал руководитель направления «Нейротехнологии» ЦПД ДВФУ Богдан Дмитриев.

Протез, который учится

У стандартных неактивных протезов ног, которые сегодня представлены на рынке, компенсация отталкивания ноги от поверхности происходит за счет особой пружинящей конструкции и специально подобранных материалов, но угол поднятия стопы там не компенсируется. Это существенно влияет на использование устройства и в итоге на качество жизни человека. Поэтому участники ЦПД придумали концепцию протеза, ступня которого может сгибаться под нужным углом. Первой модели не хватало мощности, и студенты переосмысли проект и сделали другие версии. При этом концепт сохранился вплоть до финальной конструкции.

«Мы хотели увеличить степень свободы при использовании протеза, восполнить физиологическую потребность изменения угла поднятия стопы, а также ее доворота. Активным "двигателем" проекта был наш программист, который сам не обладал одной ногой и пользовался протезом», — отмечает Богдан Дмитриев.

По его словам, в итоге была придумана новая конструкция, которая выдерживает вес человека и может двигаться. Протез базируется на трех точках опоры — они всегда гарантируют устойчивость: пяточная кость и два пальца. В конструкции реализована возможность качания стопы и компенсация отталкивания.

При этом протез должен получать сигналы извне, чтобы «понимать», в какой момент стопа должна отталкиваться от поверхности. Этот вопрос был решен с помощью обучения нейронных сетей. Основной концепт управления протезом был нацелен на снятие мышечных сигналов с конечности здорового человека.

«В итоге нейросеть получает все собранные данные и "учится". Цель использования нейросетей в данном случае — предсказать угол поворота стопы, и это получается довольно эффективно. В ходе тестирования процент подтверждения предсказания достигал 98. То есть нейросеть почти всегда знает угол, на который нужно повернуть стопу, учитывая обстоятельства, которые с человеком происходят», — уточняет руководитель направления «Нейротехнологии» ЦПД ДВФУ.

Плата управления помещается в сам протез, что исключает необходимость использования проводов и крепления их к ноге при ношении конструкции. Нейронные сети могут учиться в процессе использования, что позволяет протезу подстраиваться под индивидуальные особенности походки. Это было бы невозможно при внедрении программного обеспечения на чистом коде, когда устройство при получении конкретного параметра делает поворот на заданный градус.

Режим для реабилитации

Также в проработке участников направления «Нейротехнологии» — идея применения такого устройства для реабилитации. Люди, которые используют протез одной конечности, начинают иначе распределять вес между здоровой и нездоровой ногой. За счет этого хрящевая ткань, суставы, межпозвоночные диски изнашиваются неравномерно, впоследствии это приводит к проблемам в опорно-двигательном аппарате.

«Один из моментов, который мы задумали реализовать в данном протезе, — терапевтический режим. На нем он будет "подталкивать" человека к здоровой ходьбе, меняя угол наклона, заставляя больше переносить вес на нездоровую или здоровую конечность в зависимости от того, в какую сторону сдвинут баланс. Это поможет людям в будущем не иметь проблем со здоровьем», — отметил Богдан Дмитриев.

Сотрудники ЦПД изучили рынок и выяснили, что из большого числа производителей в мире лишь единицы прибегают к обучению нейронных сетей для использования в протезах. В основном такие устройства работают по принципу простого кода и не подстраиваются под обстоятельства и особенности человека, который их носит.

Отметим, в ЦПД студенты и ученые занимаются и другими разработками в области здравоохранения. Например, один из проектов — создание системы управления инвалидной коляской за счет движения глаз. Также студенты разработали учебную модель аппарата ИВЛ с принципом биологической обратной связи: он определяет давление, синхронизируется с дыхательными движениями пациента и без вреда для организма помогает восстановить естественную функцию дыхания.

Со школьниками в ЦПД был реализован инновационный проект очувствления протеза верхних конечностей. Обычно такие устройства управляются с помощью нажатия мышцей культи на кнопку внутри протеза.

Центр проектной деятельности ДВФУ создан для объединения талантливых и мотивированных студентов, которым интересно воплощение инновационных и перспективных с коммерческой точки зрения идей. Работа ведется по нескольким направлениям, среди них — интернет вещей, большие данные, робототехника, биоинженерия, космические системы, нейротехнологии. Проекты прорабатываются совместно с крупными предприятиями, которые предоставляют экспертов для консультирования студенческих команд и нередко сами выступают как заказчики.

Надежда Егорова,
РИА Новости